提高工业热水淋浴式杀菌设备中的杀菌均匀性：实验与数值分析

《Results in Engineering》：Improving sterilization uniformity in industrial hot water shower sterilizers: an experimental and numerical analysis

本研究通过实验与数值模拟，分析了热水淋浴灭菌器（SWS）中不同水流量和托盘几何形状对温度均匀性及能耗的影响。主要发现优化托盘设计（如Rv 2.5-16）能显著提升水流量分布均匀性，使F0值差异最大降低15%，同时减少能耗约20%-30%。研究验证了数值模型的准确性，并提出了工业应用的优化方案。

　　在工业生产中，确保液态药品和食品产品的安全性与稳定性是至关重要的。为此，使用热水淋浴（SWS）灭菌器对大量包装产品进行热处理，已成为一种常见且有效的方法。然而，随着对产品品质、生产效率和能源利用的持续关注，提升温度均匀性与热传递效率的需求也不断增长。特别是在降低体积流量的情况下，如何确保灭菌效果的同时减少能源消耗，成为当前研究的重点。本文通过实验研究和一个经过验证且计算高效的多相模拟模型，探讨了体积流量分布对温度均匀性的影响，并得出了相关结论。

SWS灭菌器的工作原理是利用超热水循环系统对产品进行加热和冷却，从而达到灭菌的目的。在这一过程中，体积流量的分布决定了热传递的均匀性。然而，以往的研究中并未系统地分析体积流量分布对温度均匀性的影响。因此，本文的研究填补了这一空白。通过实验分析，研究人员发现体积流量分布的均匀性与产品温度分布的均匀性之间存在显著的正相关关系，而灭菌时间则基本不受影响。这一发现对于优化灭菌过程、提升灭菌效果以及降低能耗具有重要意义。

在实验中，研究者使用了优化后的产品托盘几何结构，使得灭菌效果的指标F?的波动显著减小，甚至在较低的体积流量下也能实现有效的灭菌操作。这种优化结构使得在工业灭菌器中，每批次的热能和电能需求分别减少了约30%和20%。这一成果表明，优化产品托盘几何结构是提升灭菌器能效的有效手段。此外，实验还表明，延长加热阶段虽然能够略微改善温度均匀性，但会导致灭菌时间显著增加，而部分浸没产品则未能改善均匀性，反而增加了能耗。因此，在设计和操作灭菌器时，需要在均匀性和效率之间找到平衡。

在灭菌过程中，温度均匀性是关键因素之一。温度不均匀可能导致某些产品的灭菌效果不佳，从而影响整体产品的安全性。因此，研究者采用了多种测量方法，包括温度探头和体积流量分布测量装置，以获取准确的数据。通过分析这些数据，研究者能够更深入地了解灭菌过程中的热传递行为。在实验中，使用了双层托盘设计，其目的是通过增加孔洞数量和减小孔洞直径，改善体积流量的分布。实验结果显示，优化后的托盘结构显著提高了温度分布的均匀性，尤其是在较低体积流量的情况下。

为了验证实验结果，研究者开发了一个数值模拟模型，该模型基于流体动力学和热传递理论，能够模拟灭菌过程中复杂的多相流体行为。通过模拟，研究者不仅能够预测产品的温度分布，还能分析灭菌效果的F?值和SAL值的变化。模拟结果与实验数据表现出高度的一致性，证明了模型的准确性。此外，模拟还揭示了在不同体积流量和托盘设计条件下，热传递系数的变化趋势。例如，在袋装产品中，较低的体积流量可能导致较高的热传递系数，而瓶装产品则可能因表面接触角和结构差异而表现出不同的热传递行为。

在研究过程中，研究人员还探讨了体积流量的减少对灭菌器整体性能的影响。通过实验和模拟，他们发现减少体积流量不仅能够降低能源消耗，还能缩短加热和冷却时间，从而提高生产效率。然而，这种优化措施需要在保证灭菌效果的前提下进行，不能过度减少体积流量，否则可能影响热传递效率。此外，研究还指出，体积流量的优化对不同产品类型的影响存在差异，这与产品几何结构和材料特性密切相关。

研究还对不同产品负载配置下的热传递行为进行了比较分析。袋装产品由于其较大的表面积和结构特点，通常表现出较高的热传递系数，但同时也容易受到体积流量分布不均的影响。而瓶装产品由于其相对紧凑的结构，热传递系数可能较低，但体积流量的优化对其温度均匀性有更显著的影响。因此，在设计和优化灭菌器时，需要综合考虑产品类型和托盘结构，以实现最佳的热传递效果。

在实验和模拟的基础上，研究者还对灭菌过程的环境影响进行了评估。通过计算碳排放当量（CO?eq），他们发现优化后的灭菌器能够显著减少碳排放，从而降低对环境的负担。这一结果对于推动绿色制造和可持续发展具有重要意义。此外，研究还表明，体积流量的优化不仅适用于当前的SWS灭菌器，也可以推广到其他类型的液体灭菌设备，如喷雾灭菌器和浸入式灭菌器。

总的来说，本文的研究为SWS灭菌器的设计和操作提供了重要的理论依据和实践指导。通过实验和模拟的结合，研究者不仅揭示了体积流量分布对温度均匀性的影响，还提出了优化产品托盘几何结构的方案，以实现更高效的灭菌过程。此外，研究还对灭菌器的能耗、环境影响以及热传递效率进行了系统分析，为工业灭菌技术的进一步发展提供了参考。未来的研究可以进一步探讨不同产品尺寸和形状对灭菌效果的影响，以及如何通过优化加热阶段和体积流量分布，实现更高效的灭菌过程。这些研究将有助于推动灭菌技术向更加环保和高效的方向发展。